基于电子鼻和气质联用技术分析市售牡丹籽油产品的香气差异性

闫鉴,兰天,王家琪,鲍诗晗,王悦,孙翔宇,马婷婷*

1(石圪节智华生物科技有限公司,山西 长治,046299) 2(西北农林科技大学 食品科学与工程学院,陕西 杨凌,712100) 3(西北农林科技大学 葡萄酒学院,陕西 杨凌,712100)

油用牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr)为毛茛目毛茛科芍药属植物,原产于中国,现在山东、河南、安徽、陕西4省有较大规模的集中种植,并在甘肃、四川及云南北部等地有少量种植[1]。油用牡丹的牡丹籽含油量在29%～34%左右[2],经过压榨、浸渍等提取工艺得到金黄色透明的牡丹籽油[3]。研究表明,牡丹籽油中含有90%以上的不饱和脂肪酸,其中,亚麻酸含量最高,占38.7%以上[4-6],远高于其他常用植物油,如葵花籽油(4.5%),大豆油(6.7%)以及菜籽油(8.4%)[4]。此外,牡丹籽油中还含有丰富的植物甾醇,角鲨烯,维生素E以及多种对人体有益的矿物元素[1,6-7]。因此,其具有保护肝脏、降血脂血糖、抗氧化、预防心血管疾病、调节免疫力等多种功能[1,7-8],被称为“液体黄金”[7]。

近年来,随着人民生活水平的不断提高,人们在选择食用油时已不仅仅停留在安全卫生的水平,而是更加注重其健康与营养[9]。牡丹籽油因成分结构合理、营养价值极高、无毒性等特点[1],逐渐被消费者所接受。2011年原卫生部(现国家卫生健康委员会)将牡丹籽油列为新资源食品。在此基础上,牡丹籽油产业在多个主要牡丹种植省份迅速发展,并成为了食品、医药和健康领域的关注热点[1]。

目前,关于牡丹籽油的研究多集中于提取工艺优化[2,10]、成分构成及功能活性分析[1,6,11]、氧化稳定性研究[4,8]以及产业发展分析[1,5,7 ]等方面。对于牡丹籽油的气味成分分析却鲜有报道。

牡丹籽油作为一种食用油,其感官品质对消费者至关重要。植物油中的挥发性香气成分是存在于油中的次生特异性标志,赋予了植物油独特的风味[12],也是评价植物油品质的重要组成成分[13]。因此,实验以10款不同市售牡丹籽油为对象,对其进行电子鼻和GC-MS检测,分析不同牡丹籽油产品的香气差异性,以期为牡丹籽油的风味物质研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

选择市场上常见的牡丹籽油共10个品牌,均购自京东网上商城,并在4 ℃下保存,备用。10个品牌的牡丹籽油分别编号P1～P10。

1.2 仪器与设备

GC-MS-QP2010气质联用仪,日本岛津公司;SPME萃取装置(50/30 μm,DVB/CAR/PDMS),美国Supelco公司;PEN 3电子鼻,德国Airsense公司。

1.3 实验方法

1.3.1 电子鼻检测

采用电子鼻对不同市售牡丹籽油产品的整体香气特征进行检测,在MA等[14]的测试方法基础上稍作修改。将5 mL牡丹籽油样品置于20 mL样品瓶中,25 ℃平衡10 min后,插入电子鼻探头吸取顶端空气进行检测,每个样品至少测定8次。电子鼻检测参数:样品检测时间60 s,清洗时间300 s,载气速度300 mL/min,进样流量300 mL/min。

1.3.2 GC-MS分析

采用顶空固相微萃取法结合气相色谱串联质谱技术(headspace solid phase microextraction-gas chromatography mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)对不同市售牡丹籽油产品中的挥发性香气成分进行测定,在LAN等[15]的测定方法上稍作修改。将5 mL牡丹籽油置于20 mL顶空瓶中,45 ℃平衡30 min,将老化后(250 ℃,120 min)的萃取头插入样品瓶顶空部分萃取30 min,随后插入气相色谱进样口,250 ℃解吸2 min,同时启动仪器采集数据,用于GC-MS的分离与鉴定。GC条件:采用DB-1MS熔融石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)和氦气(1.93 mL/min)检测。升温程序:初始温度40 ℃,保持3 min,以4 ℃/min升温至120 ℃,然后以6 ℃/min的速度上升至240 ℃,并保持9 min。MS条件:EI离子源,电子轰击能量70 eV,离子源温度230 ℃;全扫描:质量扫描范围m/z35～500。所有测试重复3次。

1.3.3 定性定量方法

定性方法[16]:牡丹籽油的挥发性物质是根据NIST 14质谱数据库通过匹配度和保留时间并结合保留指数(retention index,RI)确定的,并选择与匹配度大于85%的成分为有效香气成分。RI根据公式(1)计算得到,其中正构烷烃的碳原子数为C7～C30。

(1)

式中:n和n+1分别为待测组分前后正构烷烃的碳原子数,tn和tn+1为相应的正构烷烃出峰保留时间,tx为待测组分出峰保留时间,其中tn

相对定量方法:采用峰面积归一化法进行定量分析,得到挥发性物质的相对含量。

1.3.4 相对气味活度值(relative odor activity value,ROAV)

基于化合物的相对含量,在评价各组分对牡丹籽油风味的贡献时,引入ROAV[17],设定对样品风味贡献最大化合物:ROAVmax=100,其他化合物计算如公式(2)所示:

(2)

式中:Ci和Ti分别为各化合物的相对百分含量和对应的感觉阈值;Cmax和Tmax分别为样品风味贡献最大组分的相对百分含量和感觉阈值

1.4 统计分析

电子鼻数据利用Excel 16.44进行整合,并采用SPSS 26.0.0.0进行线性判别分析。挥发性物质数据采用SPSS 26.0.0.0进行方差分析及多重比较,P<0.05为显著相关。关键香气化合物的主成分分析采用SPSS 26.0.0.0软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 电子鼻测定结果分析

电子鼻是一种基于模拟人类嗅觉系统的挥发性成分分析仪器,可以快速、无损的对产品风味轮廓信息进行综合分析[18-19]。本研究采用的PEN3型电子鼻是一种金属氧化物传感器型的电子鼻,具有10个金属氧化物气体传感器阵列,如表1所示[18]。

表1 PEN3型电子鼻传感器敏感物质Table 1 Sensitive substances of PEN3 electronic nose sensor

图1-a为10种牡丹籽油电子鼻传感器响应信号平衡后的响应雷达图。不同牡丹籽油产品挥发性成分对传感器的敏感性大致相同,但响应值有所差异。总体而言,对于所有的牡丹籽油产品,传感器S2(W5S)和S7(W1 W)的响应信号均普遍较强,它们分别对氮氧化合物以及硫化物较为敏感,其中,P1的响应值最小,P10和P6的响应值最大。而其他传感器对牡丹籽油的响应值均较小。

在此基础上,对不同牡丹籽油产品的电子鼻响应值进行判别分析(linear discriminant analysis,LDA)。

a-电子鼻响应值雷达图;b-基于电子鼻响应的LDA图1 市售牡丹籽油产品电子鼻结果分析Fig.1 Results of electronic nose analysis of different commercially peony seed oil products

LDA是一种模式识别的典型算法,性质相似的样品会在空间距离上表现的较为接近[18-19]。由图1-b可以看出,LD1的贡献率为68.1%,LD2的贡献率为25.1%,LD1和LD2的总贡献率为93.2%,且10组样品之间无交叉区域,区分明显,这表明不同牡丹籽油产品的风味特征之间存在差异,可以通过电子鼻较好地区分开。P4和P7,P5和P8的距离较近,说明香气特征比较接近。

2.2 GC-MS分析结果

在电子鼻的基础上,本研究采用HS-SPME-GC-MS对多个市售牡丹籽油的挥发性香气成分进行了测定,其挥发性物质种类和相对含量见增强出版附表1。研究表明,不同牡丹籽油产品对挥发性物质的种类和含量均存在显著差异。

2.2.1 挥发性物质种类分析

就挥发性物质种类而言,10种牡丹籽油中共检测出133种挥发性物质,根据官能团将挥发性成分分为7类,包括23种醛类、7种酸类、28种烷烃类、21种烯烃类、12种醇类、15种酮类、11种酯类以及16种其他类物质。不同牡丹籽油产品中存在的挥发性物质种类存在较大的差异。P3含挥发性物质种类最多(80),其次是P7(77)、P4(65)、P10(64)、P2(63)、P9(60)、P8(57)、P6(56)、P5(51)和P1(35)。其中,10种不同市售牡丹籽油产品共有的挥发性物质有17种,分别是丁醛、己醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、癸醛、乙酸、己酸、1-戊烯、(E)-2-戊二烯、柠檬烯、乙醇、1-戊烯-3-醇、2-丁酮、3-辛酮、辛酸乙酯、2,3-二氢呋喃、苯、2-乙呋喃。10种不同市售牡丹籽油产品特有的挥发性物质有34种,P9含有最多的特有挥发性物质共8种,其次是P10(5)。P2、P3、P4、P5、P6和P8均有3种特有挥发性物质,P7有2种,P1则只有1种。造成不同牡丹籽油产品挥发性物质种类存在差异的原因可能是产地、品种、提取方式等的不同。

2.2.2 挥发性物质相对含量分析

由图2可知,不同市售牡丹籽油产品的挥发性物质相对含量以及不同类别挥发性物质在总挥发性物质中的占比均存在显著差异。在10种不同品牌牡丹籽油样品中,除P1和P6外,其余样品中的醛类物质含量占比最高(24.51%～52.15%),且不同样品之间差异显著(P<0.05)。P3和P7的醛类物质占比高达50%以上,其中己醛的占比高达20%以上,是主要的醛类化合物,并且其在P4、P5、P9和P10也是占比最高的醛类物质。2-丙烯醛则是P2、P6和P8中占比最高的醛类物质,分别为8.12%、6.04%和10.42%。而在P1中,醛类占比仅达5.92%。由于醛类物质阈值较低,对香气贡献度相对较大[19],其可能是造成不同市售牡丹籽油产品香气差异的主要香气化合物,同时,也是导致P1的香气较淡的主要原因之一。

图2 牡丹籽油产品中不同类别挥发性化合物在总挥发性物质中的占比热图Fig.2 Heat map of proportion of volatile compounds in total volatile compounds in different peony seed oil products注:每一行不同小写字母表示具有显著差异(P<0.05);红色到蓝色,表示的值逐渐减小

此外,在P1和P6中,烷烃类物质在所有挥发性物质中的占比最高,特别是在P1中达到了55.95%,这可能作为区分P1和其他牡丹籽油产品的关键香气成分。而烷烃类物质阈值较高,大多香气较弱或者无味[19],可能造成了P1的香气不够突出,这与之前P1在电子鼻检测中表现出的低响应值是相吻合的。同时,烷烃类物质在P2中占比也较高,为19.34%。除P7、P8和P10中不含有戊烷外,其他牡丹籽油产品中戊烷是烷烃类物质中占比最高的物质(2.49%～43.77%)。

除此之外,酸类物质在P5和P4中表现较为突出,分别占总挥发性物质的30.34%和12.73%。其中,甲酸和乙酸的含量最高,特别是乙酸,存在于所有样品中。而甲酸是P5和P10占比最高的酸类物质,也是P5和P10中特有的酸类物质。烯烃类物质在P1、P4和P6中均有较高的占比,其中,柠檬烯仅在P1中表现出了较为突出的地位,其可能为P1提供部分柠檬与橙子的香气。醇类物质则在P9中占比较高,其中,乙醇是所有醇类物质中占比最高的,但因其高阈值而没有对牡丹籽油的风味产生主要贡献。酸类化合物主要是游离脂肪酸形成的,具有刺鼻的酸味,烯烃类物质主要来自脂肪酸烷氧自由基的均裂,而醇类物质则是由醛类物质经乙醇脱氢酶转化而成的,但因三者的阈值相对较高,对整体的风味贡献程度一般[20-21],但可能对提高牡丹籽油整体风味有重要作用。酯类物质和酮类物质在牡丹籽油样品中也有较少的检出,这些物质可能为样品提供了一些辛辣等刺激性气味或花果香。而在其他类物质中,呋喃类物质表现较好,可能是牡丹籽油中的重要香气物质。

2.3 关键香气化合物的差异分析

挥发性香气物质对样品总体风味特性的贡献度是由风味体系中挥发性物质的浓度与察觉阈值共同决定的[21]。通常来说,仅有一小部分对样品的总体风味具有显著贡献,这些挥发性物质对总体风味其主导作用,被称为关键风味化合物[19]。为了进一步分析不同牡丹籽油产品香气的差异性,采用ROAV法来确定其关键风味化合物。ROAV越大的挥发性物质对样品总体风味的贡献也越大。基于前人的研究[17,22],ROAV≥1的物质为样品的关键风味化合物,而0.1≤ROAV<1的物质对样品总体风味也有重要贡献,被称为修饰性风味化合物。

由表2可知,10种不同牡丹籽油产品中的关键风味化合物(ROAV≥1)共有3种,即乙醛、1-戊烯-3酮和2,3-戊二酮。2-甲基丁醛、(Z)-4-庚烯醛、(E)-2-庚烯醛、(E)-2-辛烯醛和1-辛烯-3-醇也对牡丹籽油的总体风味有重要贡献,被认为是牡丹籽油的修饰性风味化合物(0.1≤ROAV<1)。这些重要的关键风味化合物以及修饰性风味化合物以不同的含量和比例分别形成了不同品牌牡丹籽油的独特风味。醛类物质种类最多且ROAV高,特别是乙醛,被认为是P2～P10中贡献最大的关键香气化合物。而其余醛类物质在不同样品中ROAV差异较大。醛类物质是脂肪酸由脂氧合酶及过氧化物裂解酶二级降解得到的产物,阈值较低,可以为样品提供一些积极的感官特性,如果香味、麦芽味、油脂香和青草香等[20]。因此,醛类物质被认为是造成不同牡丹籽油产品香气差异的一类主要化合物。此外,酮类物质在牡丹籽油中,特别是P1中表现出了对总体风味特征的较大贡献。酮类化合物是由不饱和脂肪酸降解得到的氢过氧化物在经微生物氧化或热氧化产生的,阈值相对较低,具有胡椒、大蒜、洋葱的辛辣刺激气味,以及黄油味[20]。1-辛烯-3-醇作为一种修饰性风味化合物,能够加强基质中特征香气成分的显现[20]。

表2 牡丹籽油中的关键风味化合物Table 3 Key flavor compounds in peony seed oil

2.4 关键香气化合物的主成分分析

对采用ROAV法确定的关键风味化合物和修饰性风味化合物进行主成分分析(图3)。前3个主成分贡献的累积贡献率为75.924%,可以代表样品的整体信息。P1的第1主成分得分为负值,第2和3主成分得分为正值,K8(2,3-戊二酮)在第1和2主成分的载荷可以将P1从其他样品中区分开来。P2的第1主成分得分为正值,第2和3主成分得分为负值,K2(2-甲基丁醛)和K6(1-辛烯-3-醇)可以将P2从其他样品中区分开来。P3和P4的3个主成分得分均为正值,K3[(Z)-4-庚烯醛]和K5[(E)-2-辛烯醛],可以将P3和P4从其他样品中区分开来。P6、P9和P8的3个主成分得分均为负值,K7(1-戊烯-3-酮),可以将它们从其他样品中区分开来。总体而言,不同牡丹籽油产品之间香气特征存在显著差异,可以通过主成分分析进行较好的区分。

图4 基于关键风味化合物的牡丹籽油产品主成分分析Fig.4 PCA of different peony seed oil products based on key flavor compounds

3 结论

电子鼻结合气质联用技术可以有效、全面的分析不同牡丹籽油产品的香气差异。10种不同牡丹籽油产品中共检出133种挥发性香气物质,其中有17种物质存在于所有牡丹籽油样品中。不同牡丹籽油产品中存在的挥发性香气物质的种类和相对含量均存在显著差异,这使得不同牡丹籽油产品形成了独特的风味。采用ROAV法确定了3种关键风味化合物以及5种修饰性风味化合物,其中有5种醛类化合物、1种醇类化合物以及2种酮类化合物。乙醛被认为是P2～P10中最重要的关键风味化合物,而2,3-戊二酮被认为是P1中最重要的关键风味化合物。这些物质是造成不同牡丹籽油产品香气差异的主要物质。基于对关键风味化合物和修饰性风味化合物的主成分分析,可以对不同牡丹籽油产品进行简单的区分。通过对不同牡丹籽油产品的香气差异性研究,可增加消费者对牡丹籽油的品质进行进一步了解,并提供选购依据,同时还可以为控制和优化牡丹籽油的香气品质提供参考。